Pourquoi l'USB a-t-il 4 lignes au lieu de 3?


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USB spécifie 4 broches:

1.   VBUS   +5V
2.   D-     Data-
3.   D+     Data+
4.   GND    Ground

Pourquoi n'est-ce pas 3? Les données et le pouvoir ne pourraient-ils pas partager un terrain d'entente? Ai-je raison de comprendre que D-c'est la raison D+?


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Juste pour que vous sachiez: il existe des protocoles à un seul fil où même + 5V et les données sont les mêmes. Ce ne sera pas rapide et sans interférences, mais pour certaines applications, moins de fils est un vrai gain net. D'autres, comme l'USB et Ethernet, ajoutent des fils pour obtenir plus de puissance et de données.
Macke

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Wow, c'est une question étonnamment populaire!
Rocketmagnet

Réponses:


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Non, ce D-n'est pas la terre. Les données sont envoyées sur une ligne différentielle , ce qui signifie qu'il D-s'agit d'une image miroir de D+sorte que les deux lignes de données transportent le signal. Le récepteur soustrait D-de D+. Si un signal de bruit est capté par les deux fils, la soustraction l’annulera.

entrez la description de l'image ici

La signalisation différentielle aide donc à supprimer le bruit. Il en va de même pour le type de câblage, à savoir une paire torsadée . Si les fils étaient juste parallèles, ils formeraient une boucle (étroite) pouvant capter les interférences magnétiques. Mais grâce aux torsions, l'orientation des fils par rapport au champ change continuellement. Un courant induit sera annulé par un courant avec le signe opposé une demi-torsion plus loin.
Supposons que vous ayez une perturbation travaillant verticalement sur le fil torsadé. Vous pourriez considérer chaque demi-tour comme une petite boucle détectant le dérangement. Ensuite, il est facile de voir que la prochaine petite boucle voit le champ opposé (à l'envers, pour ainsi dire), de sorte que le premier champ est annulé. Cela se produit pour chaque paire de demi-torsions.
Un effet d'équilibrage similaire se produit pour la capacité à la terre. Dans une paire droite, un conducteur présente une capacité de mise à la terre supérieure à celle de l'autre, tandis que dans une paire torsadée, chaque fil indique la même capacité.

entrez la description de l'image ici

edit Les
câbles avec plusieurs paires torsadées comme cat5 ont une longueur de torsion différente pour chaque paire afin de minimiser la diaphonie.


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@ pjc50 - En fait, je l'ai pris sur Wikipedia , mais si je devais le dessiner moi-même, j'utiliserais Adobe Illustrator.
stevenvh

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@ pjc50 ou Inkscape, qui est l'alternative au logiciel libre la plus populaire (et vraiment valable)
clabacchio

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Eh bien, je suis nouveau dans l'électronique. Je veux vous demander, si le bruit était seulement sur le D +, comment il pourrait être annulé? Donc, je dis, est-ce qu'il y a une situation où le bruit est seulement sur le D + ou le D-?
Enes Unal

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@Enes - Cela sera négligeable à cause de la symétrie du câblage: si vous prenez une longueur de fil arbitraire, vous ne pouvez pas voir à vue lequel est D+et qui est D-(hormis le code couleur, bien sûr). Cela signifie les deux D+et D-sera exposé à la perturbation de la même manière. Et lorsque le bruit est le même sur les deux soustractions, il sera presque complètement annulé.
stevenvh

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@EnesUnal Un point intéressant à propos du câble à paire torsadée est qu'aucun des câbles n'est en permanence plus proche du bruit ou des interférences que l'autre. Réf.: Techtionary.com/members/slides/u/unbalun.swf
Subin Sebastian

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C'est un signal différentiel (ou équilibré), plutôt qu'un signal à une seule extrémité (asymétrique).

Cela signifie que le récepteur "mesure" la tension entre eux, plutôt qu'entre la terre et la terre.
Disons que D + est à 2V et D- à 1V. Supposons maintenant que le fil capte un bruit externe (RF, secteur ronflant, etc.) Il est très probable que les deux câbles captent le même signal de bruit car ils sont torsadés et de même impédance.
Disons que nous captons 50 mV de bruit. Donc maintenant D + a 2050mV dessus, et D- 1050mV - la différence entre eux est toujours de 1V (1000mV) cependant, et c’est ce que le récepteur "verra".
Si cela avait été fait avec un câble à une extrémité, alors D + (no D-) serait à 1050mV et la masse serait toujours à 0V, de sorte que le récepteur verrait 1050mV.

C'est un peu une simplification excessive (mais comprend le concept de base) - le sol peut également capter un peu de bruit (ou le présenter au départ), mais en raison de l'impédance inadéquate entre elle et le signal, la quantité de bruit repris sur chaque ligne sera différent et cette différence sera vu à la réception. En outre, il peut être présent initialement (par exemple, une boucle de masse), ce qui pose un gros problème pour les systèmes asymétriques.
Faire correspondre les impédances des lignes dans une connexion équilibrée est très important pour une bonne réjection de mode commun (c'est-à-dire une réjection du signal commun aux deux signaux), car cela ne fonctionne que si les deux lignes captent exactement la même quantité de bruit. Les signaux ne doivent pas nécessairement être symétriques. Cependant, le bruit est créé, tant qu'il affecte les deux signaux de manière égale, la réjection en mode commun sera très bonne.


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En fait, cela a déjà été essayé une fois: le bus de bureau Apple (ADB) a été utilisé pour connecter des claviers et des souris à des ordinateurs Apple Macintosh à partir de 1986 environ, jusqu'à ce qu’Apple le remplace par USB en 1997 avec l’iMac.

Il avait quatre fils: 5V, terre, données et interrupteur d'alimentation. La ligne de l'interrupteur d'alimentation était uniquement destinée au bouton d'alimentation du clavier, qui connectait la ligne à la terre et demandait à l'alimentation de démarrer la machine. Il devait s'agir de son propre câble, donc il fonctionnait toujours même si la ligne 5V était désactivée.

À part cela, la ligne de données transportait tout ... très lentement. Le bus n’a jamais vraiment dépassé le stade de bus de bureau car il n’avait pas seulement un signal unipolaire, mais aussi une limite de longueur (vous obtenez des réflexions à la fin du bus, car il n’est pas terminé à chaque extrémité).

Intel a donc décidé d'utiliser la signalisation différentielle pour l'USB. Si vous voulez avoir une bonne idée de ce que la signalisation différentielle vous achète, comparez les performances en bruit du bus RS-232 asymétrique au bus RS-422 différentiel. Le RS-422 peut être commandé sur un câble plus long avec une tension source inférieure à un taux d'erreur binaire donné.

Pourquoi est-ce? La version longue prend une journée de cours en classe d'électromagnétique. La version courte est qu'un signal de bruit induira la même tension dans les deux fils d'une paire différentielle, de sorte que le comparateur côté récepteur l'annule (il rejette très bien la tension de mode commun). Une ligne asymétrique n'a aucune garantie comparable, car rien ne garantit que la ligne de terre et la ligne de signal capteront le même signal de bruit; les terres peuvent même être connectées via la masse du châssis et le courant de retour empruntera des chemins complètement différents.


Vous dites que RS-422 peut être piloté plus longtemps que RS = 232 pour un taux d'erreur de bit donné; les longs câbles RS-232 commencent-ils à détecter des erreurs aléatoires? Je me serais attendu à ce que même s'il puisse y avoir des longueurs, à la limite de la convivialité, où un message donné pourrait avoir une chance de 99% de passer sans interruption, il n'y aurait pas beaucoup de différence entre la longueur où un message complexe peut passer avec 99% ou plus de chances de succès, et la longueur où il aurait 99% de chances d’échec. La décroissance est-elle progressive?
Supercat

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Les longues lignes RS-232 ont un gros problème, ce qui n’est pas le cas de RS-422: comme "terre" est référencé pour démoduler le signal, l’erreur cumulative dans cette "terre" fait des ravages sur le récepteur. Cela s'aggrave encore lorsque le récepteur et le pilote ne sont pas sur la même terre (branchés sur des circuits d'alimentation différents, par exemple) ou lorsque des courants autres que le courant de retour du signal se trouvent sur cette ligne de terre. Toute chute de tension sur la ligne de terre, pour une raison quelconque, réduit votre marge de bruit, jusqu'à ce qu'elle disparaisse. Fondamentalement, "sol" est une fiction pratique qui échoue pour les longs câbles.
Mike DeSimone

La diminution n'est pas vraiment progressive, car dans la plupart des cas, le bruit est bien inférieur à la marge entre VOH / VOL et VIH / VIL. Ce qui se passe est que, à une certaine (longue durée), vous commencez à ramasser des erreurs notables, comme la force du bruit commence à être égal au seuil du récepteur (la tension nécessaire pour remonter un 0à un 1ou vice - versa), alors que le câble devient plus long que vous obtenez beaucoup plus d'erreurs, jusqu'à ce qu'il soit complètement disparu. Ce n'est pas comme si la radio diffusait des pertes. (Pour revenir au sujet, dans le cas de la BAD, le fil de terre achemine le signal et le courant de retour d'alimentation.)
Mike DeSimone le

Le problème est-il plus typique de l'augmentation de l'intensité du bruit ou du fait que le signal devient trop faible pour atteindre le seuil de détection de manière cohérente sur les fronts montant et descendant? J'ai certainement vu le dernier problème plus que le bruit à grande vitesse; le bruit devient-il le problème prédominant aux basses vitesses (avec les longueurs de câble plus longues que des vitesses inférieures permettraient)? Quant à ADB, je pense qu’il a été conçu pour éviter que des câbles séparés ne soient branchés à leur PC pour la souris et le clavier. Dommage que les concepteurs de PC modernes ne considèrent pas de telles choses.
Supercat

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En pratique, ADB n’était pas aussi fiable lorsque vous disposiez de plusieurs appareils. J'avais un joystick, un accélérateur, un clavier et une souris, et si vous ne les placiez pas dans le bon ordre, ils ne fonctionneraient pas au hasard. Le joystick et l’accélérateur étaient les coupables; ils avaient beaucoup de longueur de câble intégrée, et cela s’est accumulé. Et, oui, le Mac n’a pas de RS-232 (c’est pourquoi j’ai utilisé 422), mais l’un des trucs avec RS-422 est que vous pouvez le convertir en RS-423 asymétrique avec le câble (TX- devient TX ; TX + non connecté, RX + à GND, RX- devient RX) et le RS-423 est compatible avec le RS-232 sur de courtes distances.
Mike DeSimone

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En réalité, beaucoup de ports USB ont 5 lignes, pas 4 (la 5e ligne sert à négocier qui est le maître dans les applications OTG. Notez que cela est limité aux connecteurs mini et micro USB.)

Comme d'autres l'ont déjà souligné, les lignes D + et D sont une paire différentielle. Puisqu'un récepteur peut ignorer la tension de mode commun, une paire différentielle offre une meilleure immunité au bruit qu'un signal à une seule extrémité. Logiquement, les lignes D + et D- constituent un seul signal.


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@ Kortuk: Sur les mini et micro USB, il existe une cinquième broche "ID" pour USB On-the-Go, l'un ou l'autre des périphériques pouvant servir d'hôte. secure.wikimedia.org/wikipedia/en/wiki/USB#Physical_appearance
endolith

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La cinquième broche n'est pas négociable en tant que telle - elle est fixée dans le connecteur et n'atteint pas l'autre extrémité. L'idée était d'indiquer aux périphériques OTG quand ils doivent prendre le rôle d'hôte en branchant l'extrémité A. Il existe également un protocole permettant de changer de rôle, mais il s'agit d'un niveau beaucoup plus élevé.
Yann Vernier

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Je ne peux pas dire avec certitude que c'est la seule considération qui a été prise en compte, mais ce n'est pas pour l'échec, mais pour l'annulation d'IME. Les fils de données +/- sont des paires torsadées portant des signaux différentiels.

C'est comme si vous trouviez un cordon téléphonique ou un câble réseau typique.


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Le mécanisme de transmission de données différentielles D + D- est adopté pour réduire le bruit affecté. La bande passante de la transmission peut donc être fortement augmentée.

Comme l'USB, il existe plusieurs autres protocoles de transmission utilisant la couche physique différentielle. Quelques exemples sont RS485, Ethernet ...



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Cependant, même avec des données différentielles, il est parfois utilisé une signalisation asymétrique sur le port USB: la fin de paquet est signalée avec un zéro asymétrique (SE0), à savoir D + et D- à l'état bas . Cet état dure le temps de 2 bits. si SE0 dure plus de 10 ms, cela signifie une réinitialisation du bus.

Cette signalisation asymétrique rend le port USB très sensible aux interférences électromagnétiques, comme ceux que j'ai récemment découverts lorsqu'un moteur de sèche-cheveux provoquait de nombreuses déconnexions sur un périphérique USB à proximité. Et aucun filtre de mode commun ne peut être utilisé efficacement car il peut dégrader le signal SE0 ... Un autre standard bien conçu ...


Utiliser la signalisation asymétrique pour quelques situations ne nécessitant pas de minutage précis (par exemple, l’utiliser pour réinitialiser le bus semble être une idée parfaite). L'utilisation d'un SE0 à deux bits semble un peu rapide, cependant; que sont censés faire les récepteurs s’ils voient un SE0 à un bit de temps? Si l'émetteur envoie un temps SE0 de trois bits et que le récepteur en cherche au moins deux, cela semble beaucoup mieux.
Supercat

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Au-delà de Logic a un aperçu des points essentiels de la partie électrique de la spécification USB ici (également au format PDF ici ):

... USB utilise une paire de transmission différentielle pour les données. Ceci est codé en utilisant NRZI et est bourré de bits pour assurer des transitions adéquates dans le flux de données.

...

Le récepteur définit un différentiel '1' égal à D + 200 mV supérieur à D- et un différentiel '0' à D + 200 mV inférieur à D-. La polarité du signal est inversée en fonction de la vitesse du bus.


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Nous apprécions les liens comme un extra, mais si les liens meurent, votre réponse devient inutile. Pourriez-vous donner un résumé ici?
stevenvh

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C'est une bien meilleure réponse en raison de l'ajout du résumé - Merci de le faire - mais vous devez également faire attention à éviter le plagarisme. Le contenu de votre premier paragraphe est protégé par des droits d'auteur.
Kevin Vermeer

@ KevinVermeer: ​​Les citations ne sont pas un plagiat ni une violation du droit d'auteur.
endolith

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@endolith - Avec l'attribution, il ne s'agit ni d'un plagarisme ni d'une violation du droit d'auteur. J'ai modifié la réponse pour démontrer une meilleure attribution. Auparavant, personne n'aurait su que le paragraphe était essentiellement une citation. Maintenant c'est évident. Lorsque vous établissez un devis, utilisez les fonctionnalités de devis en bloc.
Kevin Vermeer le

@endolith: L'attribution protège contre le plagiat, mais les citations attribuées PEUVENT toujours être des violations du droit d'auteur.
Ben Voigt
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